Raggiungere a lungo

Dec 21, 2023

Le batterie al litio a lunghissima durata alimentano i dispositivi wireless remoti durante l’IIoT, con alcune celle che funzionano fino a 40 anni. Questa funzionalità è apparsa originariamente nell'edizione IIoT e Industria 4.0 di Automation 2023.

Le batterie a lunga durata sono essenziali per i dispositivi wireless remoti utilizzati nell’IIoT, offrendo un notevole vantaggio in termini di costi riducendo o eliminando la necessità di sostituzione delle batterie. L'uso di una batteria a lunghissima durata può tradursi in un notevole risparmio sui costi per le applicazioni wireless remote eliminando le spese di manodopera legate alla sostituzione della batteria, che invariabilmente superano il costo della batteria stessa. Questo vantaggio in termini di risparmio di denaro è particolarmente importante per i dispositivi wireless remoti utilizzati in luoghi remoti e ambienti ostili, dove l’accesso alla batteria può essere altamente proibitivo e talvolta impossibile.

Esistono due tipi di dispositivi a basso consumo. La stragrande maggioranza di questi dispositivi funziona principalmente in uno stato "stand-by" e assorbe corrente media misurabile in microampere con impulsi nella gamma multiamp per alimentare le comunicazioni wireless bidirezionali. Queste applicazioni generalmente si basano su batterie al litio primarie (non ricaricabili) di livello industriale, soprattutto quando l'accesso alla batteria è limitato o in ambienti difficili. Se la batteria è facilmente accessibile per la sostituzione e funziona entro un intervallo di temperature moderato, le batterie di tipo consumer potrebbero essere considerate una soluzione più economica. Esistono anche alcune applicazioni di nicchia che assorbono energia media misurabile in milliampere con impulsi nel multi- gamma di amp, consumando una quantità di energia media sufficiente a ridurre la durata operativa di una batteria principale. Queste applicazioni a consumo più elevato potrebbero richiedere l'uso di un dispositivo di raccolta di energia insieme a una batteria ricaricabile agli ioni di litio (Li-ion) per immagazzinare l'energia raccolta. Sono ora disponibili batterie agli ioni di litio di livello industriale che possono funzionare fino a 20 anni. Sono disponibili numerosi tipi di prodotti chimici primari (non ricaricabili), ciascuno dei quali offre vantaggi e compromessi in termini di prestazioni unici. Queste sostanze chimiche includono alcaline, bisolfato di ferro (LiFeS2), biossido di litio e manganese (LiMnO2), litio cloruro di tionile (LiSOCl2) e ossido di litio metallico (Tabella 1). Tabella 1: Le batterie LiSOCl2 di tipo bobina sono preferite per l'uso in dispositivi wireless remoti. applicazioni. Queste celle offrono capacità e densità di energia più elevate, fino a una durata operativa di 40 anni e il più ampio intervallo di temperature possibile, ideale per luoghi di difficile accesso e ambienti estremi. Tra queste sostanze chimiche primarie, il LiSOCl2 di tipo bobina (Figura 2) è preferito in modo schiacciante per implementazioni a lungo termine in località remote grazie alla sua maggiore capacità e densità di energia, intervallo di temperature più ampio e un tasso di autoscarica annuale incredibilmente basso inferiore all'1% all'anno per alcune celle.

I dispositivi connessi all'IIoT utilizzano comunicazioni wireless bidirezionali, richiedendo quindi soluzioni specializzate di gestione dell'energia. Per massimizzare la durata della batteria, questi dispositivi devono essere progettati per risparmiare energia impiegando una varietà di tecniche di risparmio energetico, compreso l'uso di un protocollo di comunicazione a basso consumo (WirelessHART, ZigBee, LoRa, ecc.), chipset a basso consumo e proprietari tecniche progettate per ridurre al minimo il consumo energetico quando il dispositivo è in modalità "attiva". Sebbene estremamente utili, queste tecniche di risparmio energetico sono spesso sminuite dalle perdite di energia associate all'autoscarica annuale. L'autoscarica è comune a tutte le batterie, poiché le reazioni chimiche si verificano anche quando una cella è scollegata o immagazzinata. Il tasso di autoscarica annuale di una batteria può variare considerevolmente in base alla sua composizione chimica, al design della cella, al potenziale di scarica corrente, alla qualità e alla purezza delle materie prime e, cosa più importante, alla capacità di sfruttare l'effetto di passivazione.Unico per Nelle batterie LiSOCl2, la passivazione prevede una sottile pellicola di cloruro di litio (LiCl) che si forma sulla superficie dell'anodo di litio per limitare la reattività quando non viene utilizzata. Le celle LiSOCl2 possono essere costruite in due modi: le celle del tipo a bobina presentano un'area superficiale meno reattiva, ideale per ridurre l'autoscarica. Tuttavia, il compromesso è l’incapacità di fornire energia ad alto tasso. Le batterie LiSOCl2 possono anche essere realizzate con una struttura avvolta a spirale, che consente un flusso di energia più elevato, con il compromesso di una durata operativa più breve a causa della maggiore autoscarica. Ogni volta che viene posizionato un carico sulla cella, lo strato di passivazione provoca un iniziale elevata resistenza e un temporaneo calo di tensione fino a quando la reazione di scarica inizia a dissipare lo strato di LiCl, un processo che si ripete ogni volta che il carico viene rimosso. La capacità della cellula di sfruttare l'effetto di passivazione può essere influenzata dalla sua capacità attuale; durata della conservazione; temperatura di conservazione; temperatura di scarico; e condizioni di scarica precedenti, poiché la rimozione del carico da una cella parzialmente scarica aumenta il livello di passivazione rispetto a quando era nuova. I produttori di batterie esperti possono ottimizzare l'effetto di passivazione attraverso l'uso di materie prime di qualità superiore e impiegando tecniche di produzione proprietarie. Sebbene la passivazione possa essere molto utile per ridurre il tasso annuale di autoscarica, questo processo deve essere sfruttato con attenzione per evitare un’eccessiva limitazione del flusso di energia.